协议和算法篇
Raft算法
如何选举领导者？
有哪些成员身份
- 领导者：处理写请求，管理日志复制，不断发送心跳信息
- 跟随者：接受和处理来自领导者的消息，领导者心跳超时，会主动推荐自己当候选人
- 候选人：向其他节点发送请求投票RPC消息，通知其他节点来投票，如果赢得大多数选票，晋升为领导者
选举领导者的过程
1.初始状态，所有节点都是跟随者状态。Raft算法实现了随机超时时间的特性，每个节点等待领导者节点心跳信息的超时时间间隔是随机的。
2.上图的A因为超时时间最短，会最先变成候选人，发起投票（先给自己投票，再给其他节点发送投票消息）
3.如果其他节点接收到A的请求投票消息，在编号为1的任期中，还没有进行过投票，它将把投票给节点A，并增加自己的任期编号
4.如果候选人在选举超时时间内赢得了大多数选票，就会成为本届任期内新的领导者
5.A当选领导者后，将周期性地发送心跳消息，通知其他服务器我是领导者，阻止跟随者发起新的选举
选举过程四连问
节点间如何通讯
领导者选举中，通常需要用到两类RPC：
1.请求投票RPC，是由候选人在选举期间发起，通知各节点进行投票
2.日志复制RPC，是由领导者发起，用于复制日志和提供心跳信息
什么是任期
1.跟随者在等待领导者心跳信息超时后，推举自己成为候选人时，会增加自己的任期号
2.如果一个服务器节点，发现自己的任期编号比其他节点小，那么他会更新自己的编号到较大的编号值
3.如果一个候选者或者领导者，发现自己的任期编号比其他节点小，那么他会立即恢复成跟随者状态
4.如果一个节点接收到一个包含较小任期编号的请求，那么他会直接拒绝这个请求
选举有哪些规则
1.领导者周期性地向所有跟随者发送心跳消息，通知大家我是领导者
2.如果在指定时间内，跟随者没有接收到来自领导者的消息，那么他会认为当前没有领导者，推举自己为候选人，发起领导者选举
3.在一次选举中，赢得大多数选票的候选人，将晋升为领导者
4.在一个任期内，领导者一直都会是领导者，直到他自身出现问题（宕机），或者因为网络延迟，其他节点发起一轮新的选举
5.在一次选举中，每一个服务器节点最多会对一个任期编号透出一张选票，并按照“先来先服务”的原则进行投票
6.当任期编号相同时，日志完整性高的跟随者，拒绝投票给日志完整性低的候选人
随机超时时间又是什么
Raft算法巧妙地使用随机选举超时时间，将超时时间都分散开来，在大多数情况下只有一个服务器节点先发起选举
1.跟随者等待领导者心跳信息超时的时间间隔是随机的
2.当没有候选人赢得过半票数，选举无效了，这时需要等待一个随机时间间隔，也即等待选举超时的时间间隔是随机的
内容小结
1.Raft中，只有日志最完整的节点才能当领导者，并且日志必须是连续的
2.通过任期，领导者心跳信息，随机选举超时时间，大多数选票原则等，保证了一个任期只有一位领导
日志复制
如何理解日志
日志是一种数据格式，包含：指令，任期编号，索引值
- 指令：一条由客户端指定的，状态机需要执行的指令
- 索引值：日志项对应的整数索引值，是一个连续的，单调递增的整数号码
- 任期编号：创建这条日志项的领导者的任期编号
如何复制日志
1.接收到客户端请求后，领导者基于客户端请求中的指令，创建一个新日志项，并附加到本地日志
2.领导者通过日志复制RPC ，将新的日志项复制到其他的服务器
3.当领导者将日志项成功复制到大多数的服务器上的时候，领导者会将这条日志项提交给它的状态机中
4.领导者将执行的结果返回给客户端
5.当跟随者接收到心跳信息，或者新的日志复制RPC 消息后，如果跟随者发现领导者已经提交了某条日志项，而他还没有提交，那么跟随者就将这条日志项提交到本地的状态机中
如何实现日志的一致
领导者通过日志复制RPC 的一致性检查，找到跟随者节点上，与自己相同日志项的最大索引值。此时，这个索引值之前的日志，领导者和跟随者是一致的，之后的日志是不一致的。
然后，领导者强制跟随者更新覆盖的不一致日志项，实现日志的一致。
如下图，当前是要复制索引为8的日志，但是找不到索引为7，任期为4的日志，继续往前面找。找到了索引为6，任期为3的日志。那么这个日志项之前的日志是和领导者一致的，直接用领导者的日志覆盖后面的7，8
内容小结
1.副本数据以日志的形式存在，日志项中的指令表示用户指定的数据
2.multi-paxos不要求日志是连续的，但在Raft 中日志必须是连续的。日志的完整性最高的节点才能当选领导者
3.值的共识和日志的一致都是由领导者决定的
成员变更
成员变更的问题
问题：可能会出现两个领导者
解决方法：单节点变更
异常情况：在领导者启动时，创建一个NO_OP日志项，只有当领导者将NO_OP日志项提交后，再执行成员变更请求。
内容小结
1.成员变更的问题，主要在于进行成员变更时，可能存在新旧配置的2个“大多数”，导致集群中同时出现两个领导者，破坏了Raft的领导者的唯一性原则，影响了集群的稳定运行
2.单节点变更是利用“一次变更一个节点，不会同时存在旧配置和新配置2个‘大多数’”的特性，实现成员变更（etcd，hashicorp raft）
3.一般需要根据场景特点，在一致性强度和实现复杂度之间进行权衡